В изучении физики‚ и в частности термодинамики‚ часто встречаются утверждения‚ которые на первый взгляд кажутся логичными‚ но на деле противоречат законам природы. Один из таких частых вопросов: если тело совершает работу‚ то его внутренняя энергия увеличивается? Краткий и точный ответ — НЕТ.
В реальности всё происходит с точностью до наоборот: если тело совершает работу‚ его внутренняя энергия уменьшается. А вот если работа совершается над телом‚ то его внутренняя энергия увеличивается. Давайте разберемся в этом вопросе подробно‚ опираясь на законы физики.
Что такое внутренняя энергия?
Чтобы понять‚ почему энергия ведет себя именно так‚ нужно четко понимать‚ что мы называем внутренней энергией.
Внутренняя энергия тела, это величина‚ равная сумме кинетической энергии теплового движения его частиц (молекул‚ атомов) и потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом.
- Кинетическая энергия, энергия движения частиц (от нее зависит температура тела: чем быстрее движутся молекулы‚ тем выше температура).
- Потенциальная энергия — энергия взаимодействия частиц между собой (зависит от расстояний между молекулами и сил притяжения/отталкивания).
Важно отметить‚ что внутренняя энергия термодинамической системы, это сумма внутренних энергий всех тел‚ входящих в эту систему.
Два способа изменения внутренней энергии
Изменить внутреннюю энергию тела или системы тел можно исключительно двумя способами:
- Совершение механической работы
- Теплопередача (теплопроводность‚ конвекция‚ излучение)
Способ 1: Изменение внутренней энергии путем совершения работы
Именно этот способ вызывает наибольшее количество путаницы. Запомним главное правило:
Если работу совершает само тело‚ его внутренняя энергия уменьшается.
Представьте себе расширяющийся газ‚ который выталкивает поршень. Газ совершает работу‚ тратя на это свою внутреннюю энергию. В результате этого температура газа падает‚ а значит‚ уменьшается кинетическая энергия его молекул‚ и‚ как следствие‚ внутренняя энергия газа снижается. Судить об уменьшении внутренней энергии можно по охлаждению воздуха в сосуде при его расширении.
Если работа совершается над телом‚ то его внутренняя энергия увеличивается.
Классический пример: если ударить молотком по гвоздю‚ то мы совершаем работу над гвоздем. В результате гвоздь нагревается и немного деформируется. При совершении над телом работы увеличивается скорость движений молекул тела‚ а значит‚ внутренняя энергия увеличивается.
Еще один яркий пример — работа сил трения. При совершении работы силой трения внутренняя энергия увеличивается за счёт уменьшения механической энергии. Трущиеся тела нагреваются‚ то есть их внутренняя энергия растет.
Способ 2: Изменение внутренней энергии путем теплопередачи
Второй способ изменения внутренней энергии — это теплопередача. В этом случае работа не совершается‚ а энергия передается от более нагретых тел к менее нагретым.
Существует три вида теплопередачи:
- Теплопроводность (передача энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их контакте).
- Конвекция (перенос энергии самим веществом‚ например‚ потоками теплого воздуха или жидкости).
- Излучение (передача энергии электромагнитными волнами‚ например‚ энергия от Солнца к Земле).
При теплопередаче более горячие тела отдают энергию‚ и их внутренняя энергия уменьшается‚ а более холодные, принимают‚ и их внутренняя энергия увеличивается. Когда температуры тел выравниваются‚ теплопередача прекращается.
Первый закон термодинамики
Взаимосвязь между работой‚ теплотой и внутренней энергией описывается первым законом термодинамики‚ который является обобщением опытных фактов. Он гласит:
Количество теплоты‚ полученное системой‚ идет на изменение ее внутренней энергии и совершение работы над внешними телами.
Математически это можно выразить так: изменение внутренней энергии равно количеству переданной системе теплоты минус работа‚ совершенная самой системой. Из этой формулы очевидно: если система совершает работу (работа больше нуля)‚ внутренняя энергия уменьшается. Если над системой совершают работу (работа отрицательна)‚ внутренняя энергия возрастает.
Подведение итогов
Возвращаясь к изначальному вопросу статьи: если тело совершает работу‚ то его внутренняя энергия увеличивается?
Ответ однозначный — НЕТ. Внутреннюю энергию тела можно изменить путем совершения работы‚ но правило работает так:
- Тело совершает работу ➡️ Внутренняя энергия уменьшается.
- Над телом совершают работу ➡️ Внутренняя энергия увеличивается.
Температура — это мера средней кинетической энергии частиц тела. Когда тело совершает работу‚ оно тратит энергию на преодоление внешних сил‚ молекулы замедляются‚ температура падает‚ а внутренняя энергия уменьшается. И наоборот: когда над телом совершают работу (сжатие‚ удар‚ трение)‚ молекулы разгоняются‚ тело нагревается‚ и его внутренняя энергия неуклонно растет.